JP2011107372A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】照明光の照度ムラを低減することができる照明装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る照明装置１００は、複数の出射面１２を有する光源１０と、複数の出射面１２から出射された光を重畳させる第１コンデンサーレンズ２０と、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割する第１フライアイレンズ４０と、前記複数の部分光束を個別に集光する第２フライアイレンズ５０と、第２フライアイレンズ５０によって集光された前記複数の部分光束を重畳させる第２コンデンサーレンズ６０と、を含み、第１コンデンサーレンズ２０は、複数の出射面から出射された光を第１フライアイレンズ４０の入射面上で重畳させ、第２フライアイレンズ６０は、前記複数の部分光束を被照明領域上で重畳させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、半導体レーザー、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の固体光源を有する照明装置を用いたプロジェクターが、開発または商品化されている。固体光源は、小型かつ軽量であり、近年の開発により発光輝度が著しく向上していることから、照明装置の光源として適している。例えば、特許文献１には、照明装置の光源として、複数の半導体レーザーを２次元アレイ状に配列した構成が記載されている。これにより、照明装置の高出力化を実現している。

しかしながら、複数の半導体レーザーを配列した照明装置では、被照明領域を均一に照明しようとしても、光源が点光源の集合に過ぎないため、被照明領域において照度ムラが生じてしまう。したがって、このような照明装置では、照明光の照度ムラを抑制するために新たな光学系が必要となる場合がある。例えば、特許文献２には、複数のレーザー光源を有する照明装置において、フライアイレンズに対する各レーザー光の入射領域をシフトさせることで被照明領域上において重畳される光の強度パターンを増加させて、被照明領域上における照明光の照度ムラを低減する技術が記載されている。

ＷＯ９９／４９３５８号公報 特開２００９−４２６３７号公報

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、照明光の照度ムラを低減することができる照明装置を提供することにある。

本発明に係る照明装置は、
複数の出射面を有する光源と、
前記複数の出射面から出射された光を重畳させる第１コンデンサーレンズと、
前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割する第１フライアイレンズと、
前記複数の部分光束を個別に集光する第２フライアイレンズと、
前記第２フライアイレンズによって集光された前記複数の部分光束を重畳させる第２コンデンサーレンズと、
を含み、
前記第１コンデンサーレンズは、前記複数の出射面から出射された光を前記第１フライアイレンズ上で重畳させ、
前記第２フライアイレンズは、前記複数の部分光束を被照明領域上で重畳させる。

このような照明装置によれば、前記第１コンデンサーレンズによって、複数の出射面から出射された光を、前記第１フライアイレンズ上に重畳させて入射させることができる。したがって、照明光の照度ムラを低減することができる。

本発明に係る照明装置において、
前記第１コンデンサーレンズは、前記複数の出射面から出射された光の光軸と交差する面内に複数配列され、
前記複数の出射面から出射される光は、前記第１コンデンサーレンズによって、前記第１コンデンサーレンズごとに前記第１フライアイレンズ上で重畳されることができる。

このような照明装置によれば、前記フライアイレンズに入射する光の入射角を小さくすることができるため、光の利用効率を向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
前記第１コンデンサーレンズと前記第１フライアイレンズの間の距離は、前記第１コンデンサーレンズの焦点距離よりも大きく、前記第１フライアイレンズの入射面における前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光の径が前記第１コンデンサーレンズの有効径よりも小さくなる距離であることができる。

このような照明装置によれば、光の利用効率の向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
前記第１フライアイレンズは、前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光と直交する面内に配置された第１要素レンズを複数有し、
前記第２フライアイレンズは、前記第１フライアイレンズから射出された光と直交する面内に配置された第２要素レンズを複数有し、
前記第２要素レンズの有効径Ｓｆは、下記式（１）を満たすことができる。

Ｓｆ≧ｆ２×Ｓｓ／ｆ１・・・（１）

但し、Ｓｓは、前記第１コンデンサーレンズの有効径であり、ｆ１は、前記第１コンデンサーレンズの焦点距離であり、ｆ２は、前記第１要素レンズの焦点距離である。

このような照明装置によれば、前記第２フライアイレンズの前記第２要素レンズの有効径を、前記第２要素レンズに入射する光（部分光束）のビーム径よりも大きくすることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
さらに、前記光源と前記第１コンデンサーレンズの間の光路上であって、前記複数の出射面に対応して複数配置され、前記複数の出射面から出射される光を個別に集光する集光レンズを含むことができる。

このような照明装置によれば、光の利用効率を向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
さらに、前記光源と前記集光レンズの間の光路上であって、前記複数の出射面に対応して複数配置され、前記複数の出射面から出射される光を個別に平行光に変換するコリメートレンズを含むことができる。

このような照明装置によれば、前記第１コンデンサーレンズによって、前記フライアイレンズに入射する光の入射角の制御を容易に行うことができる。これにより、設計の自由度を向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
さらに、前記第１コンデンサーレンズと前記第１フライアイレンズの間に配置され、前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光を前記第１フライアイレンズ上に集光するフィールドレンズを含むことができる。

このような照明装置によれば、より光の利用効率を向上させることができる。

本発明に係る照明装置において、
前記光源は、半導体レーザー、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオードのいずれかであることができる。

このような照明装置によれば、前記光源の高輝度化を図ることができる。

本発明に係る照明装置において、
前記複数の出射面は、複数行、複数列に配列されていることができる。

このような照明装置によれば、照明装置の高出力化を図ることができる。

本発明に係るプロジェクターは、
本発明に係る照明装置と、
前記発光装置から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
前記光変調装置によって形成された画像を投射する投射装置と、
を含む。

このようなプロジェクターによれば、照度ムラを低減することができる照明装置を用いているため、照度ムラの少ない画像を投射することができる。

第１の実施形態に係る照明装置を模式的に示す図。 第１の実施形態に係る照明装置を模式的に示す図。 第２の実施形態に係る照明装置を模式的に示す図。 第２の実施形態に係る照明装置を模式的に示す図。 第３の実施形態に係る照明装置を模式的に示す図。 第３の実施形態に係る照明装置の実験例のモデルを示す図。 第３の実施形態に係る照明装置の実験例のモデルを示す図。 第３の実施形態に係る照明装置の実験例のモデルの条件を示す表。 第３の実施形態に係る照明装置の実験例のモデルを示す図。 第３の実施形態に係る照明装置の実験例の結果を示すグラフ。 第４の実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． 第１の実施形態
まず、第１の実施形態に係る照明装置１００について、説明する。図１は、照明装置１００を模式的に示す図である。本実施形態では、照明装置１００をプロジェクターの照明装置に適用した場合について説明する。

照明装置１００は、図１に示すように、光源１０と、第１コンデンサーレンズ２０と、第１フライアイレンズ４０と、第２コンデンサーレンズ６０と、を含む。照明装置１００は、さらに、第１フィールドレンズ３０と、第２フライアイレンズ５０と、第２フィールドレンズ７０と、を含むことができる。

照明装置１００は、複数の出射面１２を有する光源１０、および、複数の出射面１２から出射された光Ｌを重畳させる第１コンデンサーレンズ２０と、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光を複数の部分光束に分割する第１フライアイレンズ４０と、複数の部分光束を重畳させる第２コンデンサーレンズ６０と、を有する光学系を備え、これらにより、例えばライトバルブ２の入射面４上に照明光を照射することができる。

照明装置１００では、図１に示すように、光源１０とライトバルブ２の入射面４の間の光路上に、例えば、第１コンデンサーレンズ２０、第１フィールドレンズ３０、第１フライアイレンズ４０、第２フライアイレンズ５０、第２コンデンサーレンズ６０、および第２フィールドレンズ７０が１つずつ配置されている。
以下、照明装置１００を構成する部材ごとに説明する。

光源１０としては、例えば、半導体レーザー、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の固体光源を用いることができる。これにより、光源１０の高輝度化を図ることができる。光源１０は、複数の出射面１２を有していることができる。図示の例では、光源１０は、３つの出射面１２を有しているが、その数は限定されない。図示はしないが、光源１０は、例えば、複数の発光素子（例えばＳＬＤ素子）を支持基板上に複数行、複数列に配列することで、複数行、複数列に配列された複数の出射面１２を得ることができる。これにより、アレイ状に配列された光（図６参照）を得ることができ、照明装置１００の高出力化を図ることができる。また、光源１０は、例えば、出射面１２から出射された光を第１コンデンサーレンズ２０に導くための光学素子を有していてもよい。光源１０は、複数の出射面１２の各々から出射光Ｌを出射することができる。出射光Ｌは、所定の放射角度で出射される発散光である。出射光Ｌの光軸に直交する面における形状は、例えば楕円形状である。

第１コンデンサーレンズ２０は、複数の出射面１２から出射された光Ｌを重畳させるための光学素子である。すなわち、第１コンデンサーレンズ２０によって、複数の出射面１２から出射された光Ｌを第１フライアイレンズ４０上に重畳させて入射させることができる。したがって、第１コンデンサーレンズ２０は、複数の出射面１２から出射された個別の光強度分布（例えばガウス分布）を有する光Ｌを、第１フライアイレンズ４０上に重畳させて、１つの光強度分布を有する光として入射させることができる。これにより、出射光Ｌが直接第１フライアイレンズ４０に入射する場合と比べて、より光強度分布が均一な光を、第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。第１コンデンサーレンズ２０は、複数の出射面１２から出射された光Ｌを第１フライアイレンズ４０の入射面上で重畳させる重畳レンズともいえる。

図２は、照明装置１００において、複数の出射面のうちの１つの出射面１２から出射されてから、ライトバルブ２の入射面４に入射するまでの光路を示す模式図である。図２に示すように、照明装置１００では、出射光Ｌが発散光であるため、第１コンデンサーレンズ２０によって、発散光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。したがって、出射光Ｌが直接第１フライアイレンズ４０に入射する場合と比較して、第１フライアイレンズ４０上のより広い領域に光を入射させることができる。これにより、１つの出射面１２から光が出射された場合の被照明領域５と、複数の出射面１２から光が出射された場合の被照明領域４とを、例えば、同程度の大きさの領域とすることができる。このことは、図１に示す出射面１２とは異なる他の出射面から出射される光についても同様である。

第１フィールドレンズ３０は、第１コンデンサーレンズ２０からの光を、第１フライアイレンズ４０上に集光するための光学素子である。第１フィールドレンズ３０は、第１コンデンサーレンズ２０と第１フライアイレンズ４０の間の光路上に配置されている。第１フィールドレンズ３０は、第１コンデンサーレンズ２０からの光を、第１フライアイレンズ４０により多く入射させることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。なお、第１フィールドレンズ３０は、設けられなくてもよい。

第１フライアイレンズ４０は、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割する光学素子である。すなわち、第１フライアイレンズ４０によって、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割して第２フライアイレンズ５０に入射させることができる。より具体的には、第１フライアイレンズ４０によって、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割して個別に集光した後、発散させて第２フライアイレンズ５０に入射させることができる。第１フライアイレンズ４０は、マトリックス状に配置された複数の第１要素レンズ４２からなり、これらの第１要素レンズ４２によって、第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割することができる。複数の第１要素レンズ４２は、例えば、光軸と直交する面内に配置されている。各第１要素レンズ４２の輪郭形状は、例えば、被照明領域４（図示の例では、ライトバルブ２の入射面４）の形状と相似形状をなすように設定されている。第１コンデンサーレンズ２０と第１フライアイレンズ４０との間の距離は、例えば、第１コンデンサーレンズ２０の焦点距離よりも大きい。これにより、第1フライアイレンズ４０の一部に光が集中して、照明光の均一性が低下することを防ぐことができる。さらに、第１コンデンサーレンズ２０と第１フライアイレンズ４０との間の距離は、第１フライアイレンズ４０の入射面における第１コンデンサーレンズ２０によって重畳された光の径が、第１コンデンサーレンズ２０の有効径よりも小さくなる距離であるであることが望ましい。これにより、第１フライアイレンズ４０から射出され光を、対応する第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２に入射させることができるため、光の利用効率の向上を図ることができる。ここで、光の径は、光が楕円である場合は、長径をいうことができる。

第２フライアイレンズ５０は、第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束の各々を、第２コンデンサーレンズ６０上に集光する光学素子である。これにより、第２フライアイレンズ５０は、複数の部分光束を、第２コンデンサーレンズ６０により多く入射させることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。第２フライアイレンズ５０は、第１フライアイレンズ４０と同様に、第１フライアイレンズ４０から射出された光の光軸と直交する面内に、マトリックス状に配置された複数の第２要素レンズ５２からなることができる。第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２は、第１フライアイレンズ４０の第１要素レンズ４２に１対１に対応して配列されることができる。すなわち、第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２の数は、第１フライアイレンズ４０の第１要素レンズ４２の数と等しい。なお、第２フライアイレンズ５０は、集光を目的としているため、各第２要素レンズ５２の輪郭形状が被照明領域４と対応していなくてもよい。なお、第２フライアイレンズ５０は、設けられなくてもよい。第１フライアイレンズ４０および第２フライアイレンズ５０によってインテグレーター照明光学系を構成することで、照明光の均一化を図ることができる。

ここで、第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２は、有効径Ｓｆが下記式（１）を満たすように形成されることができる。

Ｓｆ≧ｆ２×Ｓｓ／ｆ１・・・（１）

但し、Ｓｓは、第１コンデンサーレンズ２０の有効径であり、ｆ１は、第１コンデンサーレンズ２０の焦点距離であり、ｆ２は、第１フライアイレンズ４０の第１要素レンズ４２の焦点距離である。これにより、第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２の有効径を、第２要素レンズ５２に入射する光（部分光束）のビーム径よりも大きくすることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。

第２コンデンサーレンズ６０は、第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束を重畳させるための光学素子である。すなわち、第２コンデンサーレンズ６０によって、第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束を、例えば、ライトバルブ２の入射面４上に重畳させることができる。これにより、光強度分布を均一化することができ、ライトバルブ２の入射面４（被照明領域）における照明光の照度ムラを低減することができる。第２コンデンサーレンズ６０は、複数の部分光束をライトバルブ２の入射面４上で重畳させる重畳レンズともいえる。

第２フィールドレンズ７０は、第２コンデンサーレンズ６０からの光を、例えば、ライトバルブ２の入射面４上に集光する光学素子である。第２フィールドレンズ７０は、第２コンデンサーレンズ６０からの光を、ライトバルブ２の入射面４上により多く入射させることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。なお、第２フィールドレンズ７０は、設けられなくてもよい。

本実施形態では、本実施形態に係る照明装置１００をプロジェクターの照明装置に適用した場合について説明したが、これに限られず、例えば、ディスプレイ、照明器具などに適用されることもできる。このことは、後述する実施形態についても同様である。

照明装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。

照明装置１００によれば、第１コンデンサーレンズ２０によって、複数の出射面１２から出射された光Ｌを、第１フライアイレンズ４０上に重畳させて入射させることができる。これにより、照明装置１００では、第１コンデンサーレンズ２０を有さない場合と比べて、より光強度分布の均一な光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。したがって、被照明領域４における照明光の照度ムラを低減することができる。

照明装置１００によれば、第１コンデンサーレンズ２０によって、発散光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。これにより、１つの出射面１２から光Ｌが出射された場合の被照明領域５と、複数の出射面１２から光Ｌが出射された場合の被照明領域４とを、同程度の大きさの領域とすることができる。したがって、例えば、複数の出射面１２の一部の出射面において、出射される光の出力が低下した場合もしくは出射されなかった場合であっても、被照明領域４において照明光の照度ムラが生じることを防止することができる。

２． 第２の実施形態
次に、第２の実施形態に係る照明装置について、説明する。図３は、第２の実施形態に係る照明装置２００を模式的に示す図である。なお、第２の実施形態に係る照明装置２００において、上述した第１の実施形態に係る照明装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

照明装置２００では、図３に示すように、第１コンデンサーレンズ２０が複数配列されている。照明装置２００では、さらに、第１フィールドレンズ３０が複数配列されていることができる。

照明装置２００では、図３に示すように、光源１０とライトバルブ２の入射面４の間の光路上に、例えば、複数の出射面１２に対して、第１コンデンサーレンズ２０が３つ配置され、第１コンデンサーレンズ２０に対応して第１フィールドレンズ３０が３つ配置され、第１フライアイレンズ４０、第２フライアイレンズ５０、第２コンデンサーレンズ６０、および第２フィールドレンズ７０が１つずつ配置されていることができる。なお、第１コンデンサーレンズ２０および第１フィールドレンズ３０の数は、限定されない。

第１コンデンサーレンズ２０は、例えば、複数の出射面１２から出射された光Ｌの光軸と交差する面内に複数配置されている。第１コンデンサーレンズ２０は、例えば、複数の出射面１２から出射される光Ｌの光軸と直交する面内に複数配置されている。図示の例では、第１コンデンサーレンズ２０は、３つ配列されているがその数は限定されない。複数の出射面１２から出射される光Ｌは、第１コンデンサーレンズ２０ごとに、重畳されることができる。図示の例では、３つの出射面１２から出射された光を、対応する１つの第１コンデンサーレンズ２０で重畳させている。３つの第１コンデンサーレンズ２０が、配置されているため、重畳された光の光路が３つ形成されている。すなわち、複数の出射面１２から出射される光Ｌは、第１コンデンサーレンズ２０ごとに、第１フライアイレンズ４０上に重畳されて入射することができる。したがって、第１コンデンサーレンズ２０から射出される光の放射角度を小さくすることができる。これにより、例えば、第１コンデンサーレンズ２０が１つの場合と比べて、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角度を小さくすることができる。ここで、例えば、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角度が大きい場合、第１フライアイレンズ４０の第１要素レンズ４２に入射した光は、対応する第２フライアイレンズ５０の第２要素レンズ５２に入射できない場合がある。これにより、第２フライアイレンズ５０の光透過率が低下する。照明装置２００では、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角度を小さくすることができるため、第２フライアイレンズ５０の光透過率の低下を低減させることができる。なお、第１コンデンサーレンズ２０の光軸から離れた位置に配置された出射面１２から出射される光Ｌほど、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角度が大きくなるため、この形態は、特に光源１０のサイズが大きい場合に有効である。

複数の第１コンデンサーレンズ２０は、例えば、一体的に形成されて第１コンデンサーレンズアレイを構成してもよい。これにより、複数の第１コンデンサーレンズ２０を簡易な工程で製造することができる。

発光装置２００では、例えば、光源１０が１６０個の出射面１２を有し、第１コンデンサーレンズ２０は、２個設けられ、フライアイレンズ４０，５０の要素レンズ４２，５２は、それぞれ６４個設けられていることができる。すなわち、１つの第１コンデンサーレンズ２０は、光源１０の１６０個の出射面１２のうちの８０個の出射面１２から出射される光を、第１フライアイレンズ４０の３２個の第１要素レンズ４２上に重畳させることができる。

第１フライアイレンズ４０は、第１コンデンサーレンズ２０ごとに重畳された光の光束を、複数の部分光束に分割することができる。第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束は、第２フライアイレンズ５０を介して第２コンデンサーレンズ６０に入射する。第２コンデンサーレンズ６０は、第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束を、例えば、ライトバルブ２の入射面４上で重畳させることができる。すなわち、第２コンデンサーレンズ６０によって、第１フライアイレンズ４０によって分割された複数の部分光束を、ライトバルブ２の入射面４上で重畳させることができる。

図４は、照明装置２００において、複数の出射面のうちの１つの出射面１２から出射されてから、ライトバルブ２の入射面４に入射するまでの光路を示す模式図である。図４に示すように、照明装置２００では、出射光Ｌは、発散光であるため、第１コンデンサーレンズ２０によって、発散光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。また、さらに、第２コンデンサーレンズ６０によって、第１フライアイレンズ４０によって分割され個別に集光した後、発散させた複数の部分光束を、ライトバルブ２の入射面４上に入射させることができる。したがって、１つの出射面１２から光が出射された場合の被照明領域５ｄと、複数の出射面１２から光が出射された場合の被照明領域４とを、例えば、同程度の大きさの領域とすることができる。このことは、図４に示す出射面１２とは異なる他の出射面から出射される光についても同様である。

照明装置２００は、例えば、以下の特徴を有する。

照明装置２００によれば、第１コンデンサーレンズ２０が、複数の出射面１２から出射された光Ｌの光軸と交差する面内に複数配列されることができる。したがって、複数の出射面１２から出射された光Ｌを第１コンデンサーレンズ２０ごとに、重畳させることができる。これにより、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角を小さくすることができるため、例えば、第２フライアイレンズ５０の光透過率の低下を低減させることができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。また、第１コンデンサーレンズ２０を有さない場合と比較して、より光強度分布の均一な光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。したがって、被照明領域４における照明光の照度ムラを低減することができる。

照明装置２００によれば、第１コンデンサーレンズ２０によって、発散光を第１フライアイレンズ４０に入射させることができる。また、さらに、第１フライアイレンズ４０によって分割された個別に集光した後、発散させた複数の部分光束を、ライトバルブ２の入射面４上に入射させることができる。したがって、１つの出射面１２から光が出射された場合の被照明領域５ｄと、複数の出射面から光が出射された場合の被照明領域４とを、同程度の大きさの領域とすることができる。したがって、例えば、複数の出射面１２の一部の出射面において、出射される光の出力が低下した場合もしくは出射されなかった場合であっても、被照明領域４において照明光の照度ムラが生じることを防止することができる。

３． 第３の実施形態
（１） 照明装置
次に、第３の実施形態に係る照明装置３００について、説明する。図５は、照明装置３００を示す模式図である。なお、第３の実施形態に係る照明装置３００において、上述した第２の実施形態に係る照明装置２００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

照明装置３００では、図５に示すように、出射面１２と第１コンデンサーレンズ２０の間の光路上に配置されたコリメートレンズ３１０と、コリメートレンズ３１０と第１コンデンサーレンズ２０の間に配置された集光レンズ３２０と、をさらに含むことができる。

照明装置３００では、図５に示すように、光源１０とライトバルブ２の入射面４の間の光路上に、例えば、９つの出射面１２に対応して、コリメートレンズ３１０が９つ配置され、コリメートレンズ３１０に対応して集光レンズ３２０が９つ配置され、９つのコリメートレンズ３１０に対して第１コンデンサーレンズ２０が３つ配置され、第１コンデンサーレンズ２０に対応して第１フィールドレンズ３０が３つ配置され、第１フライアイレンズ４０、第２フライアイレンズ５０、第２コンデンサーレンズ６０、および第２フィールドレンズ７０が１つずつ配置されていることができる。なお、コリメートレンズ３１０、集光レンズ３２０、第１コリメートレンズ２０、および第１フィールドレンズ３０の数は、限定されない。

コリメートレンズ３１０は、複数の出射面１２の各々から出射される光Ｌを平行光に変換するための光学素子である。すなわち、コリメートレンズ３１０によって、複数の出射面１２から出射される光Ｌを平行光に変換して集光レンズ３２０に入射させることができる。コリメートレンズ３１０は、複数の出射面１２に対応して複数配列されている。コリメートレンズ３１０は、例えば、出射面１２に１対１に対応している。すなわち、コリメートレンズ３１０の数は、例えば、出射面１２の数と等しい。

集光レンズ３２０は、コリメートレンズ３１０によって平行光に変換された光を集光するための光学素子である。すなわち、集光レンズ３２０によって、コリメートレンズ３１０によって平行光に変換された光を第１コンデンサーレンズ２０に集光することができる。したがって、光の利用効率を向上させることができる。また、集光レンズ３２０によって、平行光を集光した後、発散させることができる。したがって、第１フライアイレンズ４０上のより広い領域に光を入射させることができる。

照明装置３００によれば、コリメートレンズ３１０によって出射光Ｌを平行光に変換することができる。これにより、第１コンデンサーレンズ２０に入射する光の入射角を制御することができるため、第１フライアイレンズ４０に入射する光の入射角を、第１コンデンサーレンズ２０によって容易に制御することができる。したがって、出射光Ｌが直接第１コンデンサーレンズに入射する場合と比べて、光学系の設計の自由度を向上させることができる。

照明装置３００によれば、照明装置２００と同様に、光の利用効率を向上させることができ、かつ照明光の照度ムラを低減することができる。

（２） 実験例
次に、第３の実施形態に係る照明装置の実験例について、説明する。具体的には、本実施形態に係る照明装置３００をモデル化したモデルＭにおけるシミュレーションについて説明する。図６は、モデルＭにおける光源１０を模式的に示す平面図である。図７（Ａ）は、モデルＭにおける光学系を模式的に示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の一部拡大図である。図８は、モデルＭにおけるレンズ面間の距離および曲率半径を示す表である。図９は、モデルＭにおける第１フライアイレンズ４０を模式的に示す平面図である。図１０は、モデルＭにおけるシミュレーション結果を示すグラフである。

本実験では、モデルＭにおいて、光源１０から出射される光線の各々が、各レンズ３１０、３２０，２０、３０、４０、５０、６０、７０を通過してライトバルブ２の入射面４上のどの位置に入射するかを光線追跡法により計算した。これにより、照明光の照度ムラを評価した。

まず、モデルＭの構成について説明する。

モデルＭの光源１０は、図６に示すように、Ｘ−Ｙ平面内に出射光Ｌが出射される出射面が配列されているものとした。出射面は、Ｘ方向に８列、Ｙ方向に２０列配列した。光源１０の出射面が配列されている面は、１辺が１６ｍｍの正方形とした。出射面のＸ方向の間隔Ｌ_Ｘは、２．０ｍｍ、Ｙ方向の間隔Ｌ_Ｙを０．８ｍｍとした。出射面が配列されている面は、Ｙ方向に平行な辺の垂直二等分線Ｐによって、２つの領域に区画され、２つの領域の各々に配列している出射面が、出射面群１４ａ，１４ｂを構成しているものとした。すなわち、１つの出射面群１４には、出射面が、Ｘ方向に８列、Ｙ方向に１０列配列している。出射面群１４ａ，１４ｂに対応して、２つの第１コンデンサーレンズ２０と、２つの第１フィールドレンズ３０が配置されているものとした。出射光Ｌは点光源から出射される光とし、出射光Ｌの放射角は、Ｘ方向に６０度、Ｙ方向に３０度とした。光源１０から出射される光線の総数は、２００万本とした。

モデルＭの光学系は、図７に示すように、光源１０からＺ方向に向かって、コリメートレンズ３１０、集光レンズ３２０，第１コンデンサーレンズ２０、第１フィールドレンズ３０、第１フライアイレンズ４０、第２フライアイレンズ５０、第２コンデンサーレンズ６０、第２フィールドレンズ７０の順で配置されている。各レンズの材料は、ＢＫ７であり、屈折率は、１．５１８７２である。各レンズのレンズ面と次のレンズ面までの間の距離、およびレンズ面の曲率半径は、図８に示す表の通りである。なお、図８に示す表において、第１面は、光が入射する側の面であり、第２面は、光を射出させる側の面である。すなわち、第１面の距離の欄は、各レンズの厚さを示し、第２面の距離の欄は、第２面から次のレンズの第１面までの間の距離を示す。第２フィールドレンズ７０の第２面の距離の欄は、ライトバルブ２の入射面４までの距離を示す。曲率半径の欄の符号は、＋が−Ｚ方向に凸形状である場合であり、−が＋Ｚ方向に凸形状である場合である。なお、図８に示す第１及び第２フライアイレンズ４０，５０のレンズ条件は、各要素レンズ４２，５２のレンズ条件である。モデルＭにおいて、コリメートレンズ３１０と集光レンズ３２０は、１面をコリメート面、２面を集光面とする１つのレンズとした。コリメート面は、非球面であり、コーニック定数は、−２．２９５７８８とした。集光面は、球面とした。その他のレンズ２０，３０，４２，５２，６０，７０の第１面および第２面は、球面とした。モデルＭの光学系は、Ｆナンバーが２．２以上となるように各レンズの設計を行った。また、シミュレーションにおいて、各レンズ３１０，３２０，２０，３０，４０，５０，６０，７０におけるレンズ損失は加味していない。

モデルＭにおける第１フライアイレンズ４０は、図９に示すように、Ｘ−Ｙ平面において、１辺が１６ｍｍの正方形状とした。第１要素レンズ４２のサイズは、Ｘ軸に平行な辺の長さが３．５６ｍｍ、Ｙ軸に平行な辺の長さが２．０ｍｍの長方形状とした。すなわち、第１フライアイレンズ４０には、第１要素レンズ４２が、Ｘ方向に４列、Ｙ方向に８列配列されている。第１要素レンズ４２の形状は、Ｘ−Ｙ平面において、ライトバルブ２の入射面４と相似形状とした。なお、Ｘ−Ｙ平面において、第２フライアイレンズ５０の形状は、第１フライアイレンズ４０の形状と同じであり、第１要素レンズ４２の形状は、第２要素レンズ５２の形状と同じ形状とした。

次に、シミュレーションの結果について説明する。

光源から出射され被照明領域に到達する光線の一部は、図７に示すように、細い実線および破線で描かれた光路で被照明領域に到達する。図１０は、ライトバルブ２の入射面４を含む面において、各単位領域に入射した光線数の分布を３次元的に示す図である。図１０の高さ方向および明暗は、単位領域あたりに入射した光線数を示している。単位領域は、１辺の長さが０．５ｍｍの正方形上とした。ライトバルブ２の入射面４は、座標（５，１４）、（５，３６）、（４６，１４）、（４６，３６）を頂点とする長方形内の領域である。

図１０より、ライトバルブ２の入射面４において、単位領域に入射する光線数にばらつきが少ないことがわかった。具体的には、ライトバルブ２の入射面４において、単位領域に入射する光線数が最も多い領域の光線数を１００としたときに、単位領域に入射する光線数が最も少ない領域の光線数は、７６であった。すなわち、モデルＭでは、ライトバルブ２の入射面４上において照度ムラの少ない良好な照射光を得ることができた。

以上のとおり、照明装置３００では、照度ムラの少ない良好な照射光を得ることができることが確認された。

４． 第４の実施形態
次に、第４の実施形態に係るプロジェクター４００について説明する。図１１は、プロジェクター４００を模式的に示す図である。なお、図１１では、便宜上、プロジェクター４００を構成する筐体は省略している。プロジェクター４００は、本発明に係る照明装置を有する。以下では、本発明に係る照明装置として、照明装置１００を用いた例について説明する。

プロジェクター４００において、赤色光、緑色光、青色光を出射する赤色照明装置１００Ｒ，緑色照明装置１００Ｇ、青色照明装置１００Ｂは、上述した照明装置１００である。

プロジェクター４００は、照明装置１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光をそれぞれ画像情報に応じて変調する透過型の液晶ライトバルブ（光変調装置）４０４Ｒ，４０４Ｇ，４０４Ｂと、液晶ライトバルブ４０４Ｒ，４０４Ｇ，４０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン（表示面）４１０に投射する投射レンズ（投射装置）４０８と、を備えている。また、プロジェクター４００は、液晶ライトバルブ４０４Ｒ，４０４Ｇ，４０４Ｂから出射された光を合成して投写レンズ４０８に導くクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）４０６を備えていることができる。

各液晶ライトバルブ４０４Ｒ，４０４Ｇ，４０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム４０６に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投射レンズ４０６によりスクリーン４１０上に投写され、拡大された画像が表示される。

なお、上述の例では、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device）が挙げられる。また、投射光学系の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。

また、照明装置１００を、照明装置１００からの光をスクリーン上で走査させることにより、表示面に所望の大きさの画像を表示させる画像形成装置である走査手段を有するような走査型の画像表示装置（プロジェクター）の照明装置にも適用することが可能である。

プロジェクター４００によれば、照度ムラを低減することができる照明装置を用いているため、照度ムラの少ない画像を投射することができる。

なお、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、上述した実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

２ ライトバルブ、４ 入射面、１０ 光源、１２ 出射面、２０ 第１コンデンサーレンズ、３０ 第１フィールドレンズ、４０ 第１フライアイレンズ、４２ 第１要素レンズ、５０ 第２フライアイレンズ、５２ 第２要素レンズ、６０ 第２コンデンサーレンズ、７０ 第２フィールドレンズ、１００，２００，３００ 照明装置、３１０ コリメートレンズ、３２０ 集光レンズ、４００ プロジェクター、４０４ 液晶ライトバルブ、４０６ クロスダイクロイックプリズム、４０８ 投写レンズ、４１０ スクリーン

Claims (10)

1. 複数の出射面を有する光源と、
   前記複数の出射面から出射された光を重畳させる第１コンデンサーレンズと、
   前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光の光束を複数の部分光束に分割する第１フライアイレンズと、
   前記複数の部分光束を個別に集光する第２フライアイレンズと、
   前記第２フライアイレンズによって集光された前記複数の部分光束を重畳させる第２コンデンサーレンズと、
   を含み、
   前記第１コンデンサーレンズは、前記複数の出射面から出射された光を前記第１フライアイレンズ上で重畳させ、
   前記第２フライアイレンズは、前記複数の部分光束を被照明領域上で重畳させる、照明装置。
2. 請求項１において、
   前記第１コンデンサーレンズは、前記複数の出射面から出射された光の光軸と交差する面内に複数配置され、
   前記複数の出射面から出射される光は、前記第１コンデンサーレンズによって、前記第１コンデンサーレンズごとに前記第１フライアイレンズ上で重畳される、照明装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第１コンデンサーレンズと前記第１フライアイレンズの間の距離は、前記第１コンデンサーレンズの焦点距離よりも大きく、前記第１フライアイレンズの入射面における前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光の径が前記第１コンデンサーレンズの有効径よりも小さくなる距離である、照明装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   前記第１フライアイレンズは、前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光と直交する面内に配置された第１要素レンズを複数有し、
   前記第２フライアイレンズは、前記第１フライアイレンズから射出された光と直交する面内に配置された第２要素レンズを複数有し、
   前記第２要素レンズの有効径Ｓｆは、下記式（１）を満たす、照明装置。
   Ｓｆ≧ｆ２×Ｓｓ／ｆ１・・・（１）
   但し、Ｓｓは、前記第１コンデンサーレンズの有効径であり、ｆ１は、前記第１コンデンサーレンズの焦点距離であり、ｆ２は、前記第１要素レンズの焦点距離である。
5. 請求項２において、
   さらに、前記光源と前記第１コンデンサーレンズの間の光路上であって、前記複数の出射面に対応して複数配置され、前記複数の出射面から出射される光を個別に集光する集光レンズを含む、照明装置。
6. 請求項５において、
   さらに、前記光源と前記集光レンズの間の光路上であって、前記複数の出射面に対応して複数配置され、前記複数の出射面から出射される光を個別に平行光に変換するコリメートレンズを含む、照明装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   さらに、前記第１コンデンサーレンズと前記第１フライアイレンズの間の光路上に配置され、前記第１コンデンサーレンズによって重畳された光を前記第１フライアイレンズ上に集光するフィールドレンズを含む、照明装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
   前記光源は、半導体レーザー、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオードのいずれかである、照明装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
   前記複数の出射面は、複数行、複数列に配列されている、照明装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の照明装置と、
    前記照明装置から出射された光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
    前記光変調装置によって形成された画像を投射する投射装置と、
    を含む、プロジェクター。